自从麦克斯韦时代以来，科学家们一直在探寻如何通过传感器实现电信号与磁信号的高效转换。近日，北京大学物理学院量子材料科学中心博士生张也阳和进藤龙一（Ryuichi Shindou）副教授在物理评论快报（Physical Review Letters）上发表论文，提出利用二维激子的超流性，可以实现自旋磁矩和电荷的无能耗转换。
探索信息储存和传输的新方式是凝聚态物理领域中的重大挑战之一。自旋电子学利用电子的自旋自由度作为信息载体。由于器件的局域磁性很难被直接探测，有效的自旋-电荷转换是自旋电子学应用的一个先决条件。近年来，随着带有显著相对论性自旋-轨道耦合的材料被发现，逆自旋霍尔效应和逆Rashba-Edelstein效应被广泛运用于将自旋流和自旋压转换为电流。这些效应依赖于准粒子的扩散输运，所以自旋-电荷转换通常是有能损的。携带电荷和自旋的超流体能实现无耗散的自旋-电荷转换。自旋三重态超导体和铁磁约瑟夫森结就具有这样的超流性质；在这两类超导体中，自旋极化的库珀对分别由对称性自发破缺或磁近邻效应引起。特别地，之前有研究表明，在约瑟夫森结中，铁磁界面的磁矩可控制自旋向上和自旋向下库珀对之间的相对相位，这导致无耗散的约瑟夫森电流和自旋流之间的耦合。然而，这种铁磁约瑟夫森结中的相对相位具有有限质量，这不利于在低能极限下将自旋压转换为电流。
这项工作中，他们指出二维电子-空穴双层（EHDL）系统中的激子凝聚体是实现自旋压和电流无耗散转换的理想平台。半导体中的电子和空穴之间存在长程库伦相互作用，从而形成一种被称为激子的束缚态。二维电子-空穴双层系统中的激子可以发生玻色-爱因斯坦凝聚，进而出现自旋和电荷的无耗散流动。近来，大量引人注目的凝聚态实验已经证实，激子超流体存在于二维材料中。受这些科学进展的启发，这篇论文提出，将二维电子-空穴双层系统置于磁交换场之中，可以产生无耗散的自旋-电荷转换现象。此文澄清了有交换场时激子自旋流和电荷流的一般性质，并说明了交换场的空间梯度（即自旋压）如何引发电荷超流；这种电荷超流具有新奇的时间依赖关系。此文所提出的自旋-电荷转换机制，显著提高了二维激子超流体在自旋电子学领域的运用价值。同时，对于磁性和自旋-轨道耦合如何影响二维电子-空穴双层系统的超流性，此文也提供了可靠的理解。
这项研究得到国家重点研发计划和国家自然基金委的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.066601
图：由自旋压（VS）引起的电流（IC）。（a）磁交换场下二维电子-空穴双层系统的侧视图。电流可以被分别连接在电子层和空穴层（两个蓝色区域）的两个外加电路测量。自旋压来自于铁磁基底（带有红点的绿色区域）的磁近邻效应，它通过空穴层（下方的蓝色区域）被加在约瑟夫森结上。（b）相对相位y(t)和电流IC(t)的时间依赖关系。y(t)表现出震荡或阶跃行为。